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Ecuaciones matriciales
Problema
2022 · Ordinaria · Suplente
6B
Examen
EJERCICIO 6

Dado a≠0a \neq 0, considera las matrices A=(−a3a1)A = \begin{pmatrix} -a & 3 \\ a & 1 \end{pmatrix} y B=(1−13412)B = \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ 3 & 4 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}.

a) Determina para qué valores de aa se cumple que A−1=14AA^{-1} = \frac{1}{4} A.b) Para a=1a = 1 calcula, si es posible, la matriz XX tal que AX=BtA X = B^t, donde BtB^t denota la matriz traspuesta de BB.
Matriz inversaMatriz traspuesta
a) Determina para qué valores de aa se cumple que A−1=14AA^{-1} = \frac{1}{4} A.

Dada la matriz A=(−a3a1)A = \begin{pmatrix} -a & 3 \\ a & 1 \end{pmatrix}, su determinante es:

\det(A) = (-a)(1) - (3)(a) = -a - 3a = -4a

Dado que a≠0a \neq 0, el determinante es distinto de cero, por lo que la matriz AA es invertible.La matriz inversa de AA es A−1=1det⁡(A)Adj(A)tA^{-1} = \frac{1}{\det(A)} \text{Adj}(A)^t. Primero calculamos la matriz adjunta de AA:

Adj(A)=(1−a−3−a)\text{Adj}(A) = \begin{pmatrix} 1 & -a \\ -3 & -a \end{pmatrix}

La traspuesta de la matriz adjunta es:

Adj(A)t=(1−3−a−a)\text{Adj}(A)^t = \begin{pmatrix} 1 & -3 \\ -a & -a \end{pmatrix}

Ahora, calculamos A−1A^{-1}:

A−1=1−4a(1−3−a−a)=(−14a34a1414)A^{-1} = \frac{1}{-4a} \begin{pmatrix} 1 & -3 \\ -a & -a \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -\frac{1}{4a} & \frac{3}{4a} \\ \frac{1}{4} & \frac{1}{4} \end{pmatrix}

Por otro lado, calculamos 14A\frac{1}{4} A:

14A=14(−a3a1)=(−a434a414)\frac{1}{4} A = \frac{1}{4} \begin{pmatrix} -a & 3 \\ a & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -\frac{a}{4} & \frac{3}{4} \\ \frac{a}{4} & \frac{1}{4} \end{pmatrix}

Para que se cumpla A−1=14AA^{-1} = \frac{1}{4} A, debemos igualar los elementos de ambas matrices:

(−14a34a1414)=(−a434a414)\begin{pmatrix} -\frac{1}{4a} & \frac{3}{4a} \\ \frac{1}{4} & \frac{1}{4} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -\frac{a}{4} & \frac{3}{4} \\ \frac{a}{4} & \frac{1}{4} \end{pmatrix}

Igualando los elementos obtenemos las siguientes ecuaciones:

{−14a=−a4⇒1=a2⇒a=±134a=34⇒3=3a⇒a=114=a4⇒a=114=14\begin{cases} -\frac{1}{4a} = -\frac{a}{4} \Rightarrow 1 = a^2 \Rightarrow a = \pm 1 \\ \frac{3}{4a} = \frac{3}{4} \Rightarrow 3 = 3a \Rightarrow a = 1 \\ \frac{1}{4} = \frac{a}{4} \Rightarrow a = 1 \\ \frac{1}{4} = \frac{1}{4} \end{cases}

Para que todas las condiciones se cumplan simultáneamente, el valor de aa debe ser 11.

b) Para a=1a = 1 calcula, si es posible, la matriz XX tal que AX=BtA X = B^t, donde BtB^t denota la matriz traspuesta de BB.

Para a=1a=1, la matriz AA es A=(−1311)A = \begin{pmatrix} -1 & 3 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}. La matriz BB es B=(1−13412)B = \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ 3 & 4 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}.La matriz traspuesta de BB es Bt=(131−142)B^t = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 1 \\ -1 & 4 & 2 \end{pmatrix}.Tenemos la ecuación matricial AX=BtA X = B^t. Como AA es invertible (su determinante para a=1a=1 es −4≠0-4 \neq 0), podemos multiplicar por A−1A^{-1} por la izquierda:

A−1AX=A−1Bt⇒IX=A−1Bt⇒X=A−1BtA^{-1} A X = A^{-1} B^t \Rightarrow I X = A^{-1} B^t \Rightarrow X = A^{-1} B^t

Para a=1a=1, la matriz A−1A^{-1} calculada en el apartado anterior es:

A−1=(−14341414)A^{-1} = \begin{pmatrix} -\frac{1}{4} & \frac{3}{4} \\ \frac{1}{4} & \frac{1}{4} \end{pmatrix}

Ahora, calculamos X=A−1BtX = A^{-1} B^t:

X=(−14341414)(131−142)X = \begin{pmatrix} -\frac{1}{4} & \frac{3}{4} \\ \frac{1}{4} & \frac{1}{4} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 3 & 1 \\ -1 & 4 & 2 \end{pmatrix}
X=((−14)(1)+(34)(−1)(−14)(3)+(34)(4)(−14)(1)+(34)(2)(14)(1)+(14)(−1)(14)(3)+(14)(4)(14)(1)+(14)(2))X = \begin{pmatrix} \left(-\frac{1}{4}\right)(1) + \left(\frac{3}{4}\right)(-1) & \left(-\frac{1}{4}\right)(3) + \left(\frac{3}{4}\right)(4) & \left(-\frac{1}{4}\right)(1) + \left(\frac{3}{4}\right)(2) \\ \left(\frac{1}{4}\right)(1) + \left(\frac{1}{4}\right)(-1) & \left(\frac{1}{4}\right)(3) + \left(\frac{1}{4}\right)(4) & \left(\frac{1}{4}\right)(1) + \left(\frac{1}{4}\right)(2) \end{pmatrix}
X=(−14−34−34+124−14+6414−1434+4414+24)X = \begin{pmatrix} -\frac{1}{4} - \frac{3}{4} & -\frac{3}{4} + \frac{12}{4} & -\frac{1}{4} + \frac{6}{4} \\ \frac{1}{4} - \frac{1}{4} & \frac{3}{4} + \frac{4}{4} & \frac{1}{4} + \frac{2}{4} \end{pmatrix}
X=(−44945407434)X = \begin{pmatrix} -\frac{4}{4} & \frac{9}{4} & \frac{5}{4} \\ 0 & \frac{7}{4} & \frac{3}{4} \end{pmatrix}
X=(−1945407434)X = \begin{pmatrix} -1 & \frac{9}{4} & \frac{5}{4} \\ 0 & \frac{7}{4} & \frac{3}{4} \end{pmatrix}